技术领域
[0001] 本
发明涉及铝基复合材料，具体而言为涉及一种制备Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料的方法。技术背景
[0002] 目前，应用最广泛的铝细化剂是 Al-5Ti-B中间
合金，它的应用是铝加工业技术进步的重要标志之一；优良的细化剂可以使得晶粒达到一级，进而改善铝及其合金的强度，提高塑性，使得加工成材率显著提高；但是，Al-5Ti-B仍然存在诸如细化效果衰退、TiB2粒子集聚等技术问题。
[0003] 研究表明，在铝
钛硼中间合金中加入稀土，可以改善其细化作用，从而提高铝及其合金的
质量；另外，稀土本身也具有细化铝及其合金组织的能
力，近年来，国内福州大学、兰州理工大学、中南大学等单位都在研究Al-Ti-B-RE中间合金细化剂，提出稀土能提高Al-Ti-B的细化能力和延长作用时间，但缺乏对Ti、B和RE的相互作用、微观组织进行系统研究，也没有阐明提高细化能力和长效性的具体原因，对细化机理没有达成统一的认识；清华大学与包头铝业集团合作，开发出不同成分的稀土铝钛硼中间合金，确定了向 Al5Ti1B 中加入稀土的理想添加量，他们通过研究指出，在Al5Ti4RE1B 细化剂中Ti2Al20RE为复杂的面心立方结构，晶格参数为1.469 nm，有8组可以和Al晶体匹配的位向关系，具有比TiAl3更强的形核能力，因Al5Ti4RE1B中间合金具有比Al5Ti1B 更加优异的细化能力；同时，Al-Ti-B-RE中间合金中的Ti2Al20RE比Al3Ti溶解
温度高，其结构的复杂性使得其分解速度比Al3Ti慢，在铝液中的存活时间长；另外，Ti2Al20RE溶解过程中释放出的稀土
原子增大了铝液的
粘度，降低了未溶第二相的沉淀速度，最终使Al5Ti4RE1B具有很好的细化长效性。
[0004] 然而，在实际使用中，也正是由于需要比较高的RE添加量才能发挥良好的细化效果，使得细化处理后的铝及
铝合金熔体的粘度提高，不利于熔体中渣、气的排出，因此，该复合细化剂的使用受到了限制，迫切需要开发新型复合细化剂，以便在解决第二相颗粒
稳定性的同时保证不明显影响熔体特性。
发明内容
[0005] 本发明提出一种制备Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料的方法，其原理是：在铝-钛合金近液相线温度，通过双螺旋流变
挤压装置使铝-钛合金熔体获得较高的
剪切速率和较高的
湍流强度，从而将铝-钛合金熔体与同时加入的TiO2、B2O3粉末混合均匀，然后将混合物挤出成丝或者杆状，再连续进行低温反应，最终获得Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料，其中通过在铝-钛合金中添加少量稀土元素促进低温化学反应，而由于反应温度低又保证了所生成的AlTi3、Al2O3尺寸细小。
[0006] 一种制备Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料的方法，其特征在于：将经过预处理的TiO2、B2O3粉末和处于近液相线温度的Al-Ti合金熔体一起加入到双螺旋流变挤压装置中，将TiO2、B2O3粉末与Al-Ti合金熔体混合均匀，通过双螺旋流变挤压装置出口端的模具挤出成丝状或者杆状，连续送入到处于一定温度的保温炉，通过低温反应获得Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料。
[0007] 所述的经过预处理的TiO2、B2O3粉末，是指经过300~400℃、30~50min干燥的形状为球性或者近似球形，尺寸为0.5~10μm的TiO2、B2O3粉末，杂质含量不大于0.3wt.%；TiO2、B2O3粉末分别占Al-Ti合金熔体质量的4.0~5.0wt.%、2.5~3.0wt.%。
[0008] 所述的处于近液相线温度的Al-Ti合金熔体，是指含Ti为0.5~1.0wt.%、含
混合稀土金属为0.3~0.5wt.%，其余为Al，温度处于液相线温度上下各10℃范围内的Al-Ti合金。
[0009] 所述的加入到双螺旋流变挤压装置，是指常规的用于半固态浆料制备和
挤压成型的装置，该装置由模具
钢制造，与铝熔体
接触部分采用
等离子喷涂氮化
硅陶瓷处理，使用过程中温度与加入的Al-Ti合金熔体温度保持一致。
[0010] 所述的将TiO2、B2O3粉末与Al-Ti合金熔体混合均匀，是指TiO2、B2O3粉末与Al-Ti合金熔体在双螺旋流变挤压装置中通过螺旋的搅拌挤
压实现均匀混合。
[0011] 所述的出口端的模具，是指采用热作模具钢制作的入口内径为15~18mm、出口内径为8~12mm的挤压模具，使用过程中
温度控制在300~350℃。
[0012] 所述的连续送入到处于一定温度的保温炉，是指由双螺旋流变挤压装置出口端的模具挤出的丝状或者杆状材料直接送入保温炉，送入的速度与挤出速度一致，控制在2~5m/min，保温炉的温度控制在550~570℃，有效加热长度为20~30 m，丝状或者杆状材料在保温炉中通过转向辊改变方向在炉内进行多次变向连续运动，直至保温时间达到50~120min。
[0013] 所述的低温反应，是指在氮气保护下在保温炉内反应，反应温度为550~570℃，反应时间为50~120min。
[0014] 本发明方法实现了Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料的连续制备，工艺过程简单，便于工业化生产，所得复合材料中Al3Ti颗粒形状、尺寸易于控制。
附图说明
[0015] 图1 采用本发明方法制备的复合材料的显微组织。具体
实施例[0016] 本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例；在本发明中所使用的术语，除非有另外的说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
[0017] 实施例1
[0018] 本实施例具体实施一种制备Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料的方法，其过程为：将经过300℃、50min干燥的形状为球性，尺寸均为0.5μm的TiO2、B2O3粉末和温度为600℃的Al-Ti合金熔体一起加入到双螺旋流变挤压装置中，并通过螺旋的搅拌挤压作用实现均匀混合；其中，TiO2、B2O3粉末杂质含量不大于0.3wt.%，加入量分别占Al-Ti合金熔体质量的4.0wt.%、2.5wt.%；Al-Ti合金中含Ti为0.5wt.%、含Ce系混合稀土金属为0.3wt.%，其余为Al；螺旋挤出装置为由模具钢制作的用于半固态浆料制备和挤压成型的常用装置，与铝熔体接触部分采用
等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，使用过程中温度与保持在600℃。
[0019] 通过双螺旋流变挤压装置出口端的挤压模具挤出成杆状，连续送入到处于一定温度的保温炉，通过低温反应获得Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料；挤压模具采用热作模具钢制作，入口内径为18mm、出口内径为12mm，使用过程中温度控制在300℃；杆状材料送入保温炉的速度与挤出速度一致，控制在5m/min，保温炉的温度控制在570℃，有效加热长度为30 m，杆状材料在氮气保护下在保温炉中通过转向辊改变方向在炉内进行9次变向连续运动，直至保温时间达到50min，最终获得Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料。
[0020] 图1为采用本发明方法制备的复合材料的显微组织；分析表明，图中黑色颗粒为Al3T、灰色颗粒为Al2O3，前者平均尺寸为5μm，后者平均尺寸为2μm。
[0021] 实施例2
[0022] 本实施例具体实施一种制备Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料的方法，其过程为：将经过400℃、30min干燥的形状为近似球形，尺寸均为10μm的TiO2、B2O3粉末和温度为
620℃的Al-Ti合金熔体一起加入到双螺旋流变挤压装置中，并通过螺旋的搅拌挤压作用实现均匀混合；其中，TiO2、B2O3粉末杂质含量不大于0.3wt.%，加入量分别占Al-Ti合金熔体质量的5.0wt.%、3.0wt.%；Al-Ti合金中含Ti为1.0wt.%、含La系混合稀土金属为
0.5wt.%，其余为Al；双螺旋流变挤压装置为由模具钢制造的用于半固态浆料制备和挤压成型的常用装置，与铝熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，使用过程中温度保持为620℃。
[0023] 通过双螺旋流变挤压装置出口端的挤压模具挤出成丝状，连续送入到处于一定温度的保温炉，通过低温反应获得Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料；挤压模具采用热作模具钢制作，入口内径为15mm、出口内径为8mm，使用过程中温度控制在350℃；丝状材料送入保温炉的速度与挤出速度一致，控制在2m/min，保温炉的温度控制在550℃，有效加热长度为20m，丝状材料在氮气保护下在保温炉中通过转向辊改变方向在炉内进行12次变向连续运动，直至保温时间达到120min，最终获得Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料，显微组织与实施例1类似；分析表明，该铝基原位复合材料中，Al3T颗粒平均尺寸为4μm，Al2O3颗粒平均尺寸为1.5μm。
[0024] 实施例3
[0025] 本实施例具体实施一种制备Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料的方法，其过程为：将经过350℃、40min干燥的形状分别为球性和近似球形，尺寸分别为5μm和2μm的TiO2、B2O3粉末和温度为610℃的Al-Ti合金熔体一起加入到双螺旋流变挤压装置中，并通过螺旋的搅拌挤压作用实现均匀混合；其中，TiO2、B2O3粉末杂质含量不大于0.3wt.%，加入量分别占Al-Ti合金熔体质量的4.5wt.%、2.8wt.%；Al-Ti合金含Ti为0.7wt.%、含Ce系混合稀土为0.4wt.%，其余为Al；双螺旋流变挤压装置为由模具钢制造的用于半固态浆料制备和挤压成型的常用装置，与铝熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，使用过程中温度保持为610℃。
[0026] 通过双螺旋流变挤压装置出口端的挤压模具挤出成丝状，连续送入到处于一定温度的保温炉，通过低温反应获得Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料；挤压模具采用热作模具钢制作，入口内径为16mm、出口内径为9mm，使用过程中温度控制在325℃；丝状材料送入保温炉的速度与挤出速度一致，控制在3m/min，保温炉的温度控制在560℃，有效加热长度为27m，丝状材料在氮气保护下在保温炉中通过转向辊改变方向在炉内进行9次变向连续运动，直至保温时间达到80min，最终获得Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料，显微组织与实施例1类似；分析表明，该铝基原位复合材料中，Al3T颗粒平均尺寸为4.5μm，Al2O3颗粒平均尺寸为1.5μm。
[0027] 实施例4
[0028] 本实施例具体实施一种制备Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料的方法，其过程为：将经过380℃、35min干燥的形状为近似球形，尺寸分别为0.5μm和3μm的TiO2、B2O3粉末和温度为615℃的Al-Ti合金熔体一起加入到双螺旋流变挤压装置中，并通过螺旋的搅拌挤压作用实现均匀混合；其中，TiO2、B2O3粉末杂质含量不大于0.3wt.%，加入量分别占Al-Ti合金熔体质量的4.8wt.%、2.8wt.%；Al-Ti合金含Ti为1.0wt.%、含La系混合稀土为0.4wt.%，其余为Al；双螺旋流变挤压装置为由模具钢制造的用于半固态浆料制备和挤压成型的常用装置，与铝熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，使用过程中温度保持为615℃。
[0029] 通过双螺旋流变挤压装置出口端的挤压模具挤出成杆状，连续送入到处于一定温度的保温炉，通过低温反应获得Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料；挤压模具采用热作模具钢制作，入口内径为17mm、出口内径为11mm，使用过程中温度控制在330℃；杆状材料送入保温炉的速度与挤出速度一致，控制在4m/min，保温炉的温度控制在565℃，有效加热长度为28m，杆状材料在氮气保护下在保温炉中通过转向辊改变方向在炉内进行11次变向连续运动，直至保温时间达到75min，最终获得Al-Ti-B-O系铝基原位复合材料，显微组织与实施例1类似；分析表明，该铝基原位复合材料中，Al3T颗粒平均尺寸为4.5μm，Al2O3颗粒平均尺寸为1μm左右。
